ARI LEPPÄNEN KATTILALAITOKSEN VARAVOIMAJÄRJESTELMÄ

ARI LEPPÄNEN KATTILALAITOKSEN VARAVOIMAJÄRJESTELMÄ Projektityö Tarkastaja: Sami Repo

SISÄLLYS 1. JOHDANTO...3 2. VARAVOIMAJÄRJESTELMÄN LAITTEET...4 2.1. YLEISTÄ...4 2.2. MOOTTORIGENERAATTORI...4 2.2.1. Rakenne...5 2.2.2. Moottori...6 2.2.3. Generaattori...6 2.2.4. Ohjaus-, valvonta- ja apujärjestelmät...7 2.3. UPS...7 2.3.1. Staattiset UPS-laitteet...7 2.3.2. Dynaamiset UPS-laitteet...9 2.4. ENERGIAVARASTOT...9 2.4.1. Avoimet akustot...10 2.4.2. Suljetut akustot...10 2.4.3. Muut sovellukset...11 3. KATTILALAITOKSEN VARAVOIMAJÄRJESTELMÄ...12 3.1. VARAVOIMAVERKOT...12 3.2. KATTILALAITOKSEN VARMISTETTAVAT LAITTEET...13 3.3. KUORMIEN JAKAMINEN VARAVOIMAVERKKOIHIN...13 3.4. MITOITUS...13 3.4.1. Yleistä...13 3.4.2. Dieselgeneraattori...14 3.4.3. UPS...15 3.4.4. Muut laitteet...16 3.5. SUOJAUS...16 3.5.1. Yleistä...16 3.5.2. Ylikuormitussuojaus...17 3.5.3. Oikosulkusuojaus...17 3.5.4. Kosketusjännitesuojaus...19 3.5.5. Suojauksen selektiivisyys...19 LÄHTEET...21

1. JOHDANTO Varavoimajärjestelmän tarkoituksena on tuottaa sähköä tarvittaville laitteille silloin, kun varsinainen sähkönsyöttö on keskeytynyt. Vaikka nykyisin sähkönsyöttö on hyvin luotettavaa, keskeytyksiä tulee kuitenkin joskus esimerkiksi laitteiden kulumisen ja eristeiden haurastumisen seurauksena. Yleisin sähkökatkoksen aiheuttaja on kuitenkin ukkonen. Varavoimajärjestelmän perustehtävä on havaita katkos nopeasti ja estää tai ainakin minimoida henkilö- ja taloudelliset vahingot sähkökatkosten aikana syöttämällä tarvittaville laitteille sähköä. Erilaisia varavoimajärjestelmiä käytetään monenlaisissa sovelluksissa aina yksityisen henkilön yksittäisen tietokoneen pienestä UPSlaitteesta suurten teollisuuslaitosten usean suuren dieselgeneraattorin ja UPS-laitteen järjestelmiin. Tässä työssä keskitytään teollisuuden varavoimajärjestelmiin käyttäen esimerkkinä kattilalaitoksen sähkönsyötön varmistusta. Teollisuuslaitosten varavoimajärjestelmille on niiden tehtävän vuoksi asetettava hyvin korkeat luotettavuusvaatimukset. Esimerkiksi jonkin kriittisen venttiilin aukeamattomuus häiriön aikana voi aiheuttaa suuria vahinkoja henkilöille ja itse laitokselle. Investoinnin tulee kuitenkin olla järkevässä suhteessa niihin vahinkoihin, joita sähkönjakelun häiriö aiheuttaisi. Kaikkien laitteiden sähkönsyöttöä ei yleensä ole järkevää varmistaa. Toisaalta on esimerkkejä myös siitä miten sähkökatko voi aiheuttaa niin merkittäviä vahinkoja, että niihin ei yksinkertaisesti ole varaa. Tällöin sähkönjakelulle tehdään moninkertainen varmistus. Tällainen tilanne on esimerkiksi ydinvoimaloissa. Varavoiman tarpeen määräävät varmistettavat kuormat. Jotkin kuormat sietävät lyhytaikaisia, muutaman sekunnin, katkoja, toiset eivät. Katkojen sieto määrittää tekniikan, josta varavoimaa kuormalle otetaan. Varavoimalaitoksen käynnistymisen ajaksi sähkökatkoa sietämättömät kuormat voidaan varmistaa esimerkiksi kineettisellä energiavarastolla tai syöttö otetaan katkeamattoman syötön UPS-laitteistolla akuista. Varavoiman tarvetta voidaan tarkastella riskianalyysillä, jossa määritellään mahdollisia uhkia ja uhan toteutumisen seurauksia. Näiden päätelmien perusteella voidaan analysoida tarvittavaa varmennusta.

2. VARAVOIMAJÄRJESTELMÄN LAITTEET 2.1. Yleistä Varavoimajärjestelmä koostuu yleensä varavoimalaitoksesta (yleensä dieselgeneraattori), UPS-laitteistosta akustoineen, muuntajista, kojeistoista, kaapeleista ja tarvittavista ohjaus- ja suojalaitteista. Varavoimajärjestelmä pyritään yleensä pitämään mahdollisimman yksinkertaisena luotettavuuden parantamiseksi. 2.2. Moottorigeneraattori Varavoimakäyttöihin tarkoitetuista moottorigeneraattoreista ylivoimaisesti yleisimpiä ovat polttomoottorin ja tahtigeneraattorin yhdistelmät. Dieselgeneraattorit ovat osoittautuneet kestäviksi ja käytössä luotettaviksi, mitkä tekevät niistä edullisuuden ja turvallisuuden lisäksi hyvin sopivia varavoimajärjestelmiin. Jatkossa keskitymme tarkastelemaan varavoimalaitosten moottorigeneraattoreina ainoastaan dieselgeneraattoria. Varavoimajärjestelmässä voi olla yksi tai useampia dieselgeneraattoreita ja ne voivat toimia joko erillisinä yksikköinä hajautetusti tai syöttää rinnankytkettyinä samaa kuormaa. Sähkökatkoksen jälkeen sähkönsyöttö katkeaa muutaman sekunnin ajaksi ennen kuin diesel alkaa syöttää sähköä. Tämä katkoaika on hyväksyttävä useimmilla laitteilla ja mitä enemmän varmistettavia kuormia pystytään kytkemään suoraan dieselin perään, saadaan UPS:n kokoa pienennettyä. Kuvassa 2.1 on erään valmistajan varavoimakäyttöön valmistettu dieselgeneraattori. /6,9/

Kuva 2.1 Erään valmistajan dieselgeneraattori 2.2.1. Rakenne Moottorigeneraattori koostuu moottorista ja tahtigeneraattorista. Lisäksi järjestelmään kuuluu muun muassa erilaisia valvonta- ja ohjauslaitteita. Tahtigeneraattorin akseli kytketään tyypillisesti suoraan moottorin kampiakselille, jolloin erillistä moottorin ja generaattorin yhdistävää vaihteistoa ei tarvita. Laitteiston vapaista massavoimista ja momenteista aiheutuma tärinä täytyy ottaa huomioon kaikissa dieselgeneraattorin lähellä olevissa rakennelmissa ja kytkennöissä. Kuvassa 2.2 on esitetty tyypillistä dieselgeneraattorin rakennetta. /6,9/

Kuva 2.2 Erään dieselgeneraattorin rakenne 2.2.2. Moottori Varavoimalaitoksen työkoneena toimii useimmiten dieselmoottori, mutta myös bensiinimoottoreita ja maakaasulla toimivia laitoksia on markkinoilla. Diesel on käytössä todettu luotettavaksi ja kustannuksiltaan edulliseksi ja esimerkiksi bensamoottoriin verrattuna myös räjähdys ja palovaarat ovat pienemmät. Varavoimakoneina käytettävä dieselmoottori on joko vapaasti hengittävä tai ahdettu riippuen tarvittavasta tehosta ja halutuista ominaisuuksista. Tyypillisesti suuremmilla tehoilla käytetään ahdettuja moottoreita paremman hyötysuhteen, halvemman hinnan ja pienemmän koon vuoksi. Ahdetut moottorit eivät kuitenkaan pysty heti käynnistyksen jälkeen ottamaan yhtä paljon kuormaa kuin vapaasti hengittävät mallit. /6/ 2.2.3. Generaattori Varavoimalaitoksissa käytetään yleensä kolmivaiheisia yksilaakerisia, harjattomia sisänapatahtigeneraattoreita, joiden nimellinen pyörimisnopeus on 1500 1/min. Moottori pyörittää generaattoria tahtinopeudella, jolloin vaihteistoa ei tarvita ja rakenne pysyy mahdollisimman yksinkertaisena ja varmana. Generaattori on varustettu yleensä elektronisella, mahdollisimman häiriösuojatulla jännitteensäätäjällä, koska jännitteen tulee olla mahdollisimman hyvää myös verkosta tulevien häiriöiden kanssa. /6/

2.2.4. Ohjaus-, valvonta- ja apujärjestelmät Dieselgeneraattorille tärkeitä apujärjestelmiä ovat käynnistysjärjestelmä, polttoaine- ja jäähdytysjärjestelmät, varavoimahuoneen ilmastointijärjestelmä sekä esimerkiksi pakokaasujärjestelmä. Ohjaus- ja valvontajärjestelmät vahtivat laitoksen eri toimintoja ja havaitessa häiriöitä käytössä, antavat hälytyksiä tai sammuttavat laitoksen. Järjestelmä sisältää mittaus-, ohjaus-, hälytys-, suojaus- ja valvontalaitteistoja sekä päävirtapiirin kojeet kuten katkaisijat. Näihin järjestelmiin kuuluu laitoksen omien laitteiden lisäksi usein myös generaattorikatkaisijan ja varavoimapääkeskuksen katkaisijatoiminnot, jolloin koko verkon toimintaa voidaan ohjata automaattisesti. Ohjaus- ja valvontakojeistot voidaan sijoittaa joko laitoksen yhteyteen tai erilleen siitä. Osa ohjaus- ja valvontalaitteista toimii tasavirralla ja niiden suositeltava käyttöjännite on 24 V, jolloin syöttö näille laitteille voidaan toteuttaa käynnistysjärjestelmästä, eikä erillistä tasavirtajärjestelmää tarvita. /6/ 2.3. UPS UPS (Uninterruptible Power Supply) on laitteisto, jonka tehtävänä on turvata katkeamaton sähkönsyöttö kriittisille laitteille, joille ei sähkökatkosten aikana sallita hetkellistäkään keskeytystä sähkönsyötössä. UPS-laitteisto on tarkoitettu lyhytaikaisien sähkökatkosten aiheuttamien vahinkojen estämiseen. UPS-laitteistot voidaan jakaa kahteen päätyyppiin, staattiseen ja dynaamiseen UPS-laitteistoon, toimintaperiaatteen perusteella. 2.3.1. Staattiset UPS-laitteet Staattinen UPS-laite koostuu tavallisesti tasa- ja vaihtosuuntaajan kytkennästä sekä akustosta. Tasasuuntaajalla verkkovirran vaihtojännite muutetaan akuston kanssa sopivaksi ja vaihtosuuntaajan kautta syötetään akustosta sähköä kuormalle sähkökatkoksen aikana. Tasasuunnatun tasajännitteen rinnalle kytketty akusto toimii energiavarastona ja sitä puretaan, mikäli verkkovirtaa ei ole saatavissa. Markkinoilla on useita erilaisilla topologioilla varustettuja UPS-laitteistoja. Päätyyppeinä voidaan pitää seuraavia: Off-line Line-interaktiivinen Kaksimuunnostekniikan on-line Yksimuunnostekniikan on-line Näistä kolmen ensimmäisen periaatekuvat on esitetty kuvassa 2.3.

Kuva 2.3 Perinteisten UPS-tyyppien periaatekuvat. Off-line tekniikkaa käytetään pienissä, alle 2KVA:n laitoksissa. Siinä akku pidetään varauksessa mutta vaihtosuuntaaja ei tee aktiivisesti normaalisyötön aikana lähtöjännitettä vaan lähtee toimimaan vasta kun verkkojännite poikkeaa asetelluista toleransseista. Tämä aiheuttaa noin 2-10 ms kytkentäviivettä. Etuina off-line tekniikassa on kevyt ja edullinen rakenne sekä hyvä hyötysuhde. Line-interaktiivinen tekniikka tarkoittaa sitä, että UPS toimii normaalisyötössä verkkojännitteen kanssa rinnan, mutta vaihtosuuntaaja ei aktiivisesti muodosta lähtöjännitettä. Kytkentäviivettä ei ole ja tekniikka on edullinen ja kohtalaisen hyvän hyötysuhteen omaava. Verkkojännitteen ja virran suodattaminen on kuitenkin puutteellista. Kaksimuunnostekniikan on-line UPS toimii siten, että koko sähköteho syötetään tasa- ja vaihtosuuntaajan läpi, ja akusto pidetään jatkuvasti puskurivarauksessa. UPS on kokoajan valmiudessa syöttää kuormaa ilman viiveitä. Elektroninen ohituskytkin muuttaa syötön verkkojännitteelle UPSin ylikuormitus- ja vikatilanteissa. Tilanteen normalisoiduttua syöttö palaa UPS:ille. Etuja tällä tekniikalla ovat verkkojännitteen suodatus ja lähtöjännitteen täydellinen ohjaus. Kytkentä kuitenkin aiheuttaa yliaaltoja syöttävään verkkoon ja sillä on rajoittunut kyky syöttää epälineaarista kuormaa. Yksimuunnostekniikan on-line UPS pystyy siirtämään pätötehoa kumpaan suuntaan tahansa. Tämä saadaan aikaan hyödyntämällä 4-kvadrantti tehotransistorisiltaa. Pätöteholla varataan tai tarvittaessa puretaan akustoa ja loisteholla ohjataan PWM tekniikalla muodostettua lähtöjännitettä. Tämä tarkoittaa sitä, että pätötehoa ei tarvitse tarpeettomasti tasasuunnata. Kytkennän etuja ovat hyvä hyötysuhde ja sinimuotoinen tulovirta eli yksimuunnostekniikka ei aiheuta yliaaltoja tuloverkkoon. Myös

kuormitusvirran yliaallot suodattuvat pois ja säröytyneen epälineaarisen kuorman syöttökyky on hyvä. Niin sanottua delta conversion tekniikkaa voidaan pitää yksimuunnostekniikan kehittyneempänä versiona. Siinä pääinvertterin rinnalla on deltainvertteri, joka tulokuristimen avulla säätää virran ja jännitteen vaihekulman samaksi. Tällä tekniikalla toimiva UPS ottaa verkosta vain sinimuotoista pätötehoa kuormituksesta ja verkkojännitteestä riippumatta. /1,5/ 2.3.2. Dynaamiset UPS-laitteet Staattisista UPS-laitteista poiketen dynaamisen UPS:n sähkö lähtee sähkökoneen käämistä eikä tehoelektroniikasta. Dynaamisen UPS-laitteille löytyy useita eri ratkaisumalleja. Perusratkaisuna on samalle akselille kytkettyjen moottorin ja generaattorin yhdistelmä joiden varastona toimii huimamassa- ja akustoratkaisut. Myös staattisten muuttajasiltojen ja dynaamisen UPS:n yhdistelmiä on olemassa. Dynaamisen UPS:n energian varastointi perustuu pyörivän sähkökoneen energiaan. Lisää varastointikapasiteettia saadaan käyttämällä huimamassaan ja akustoon sitoutunutta energiaa. Huimamassaan pystytään varastoimaan liike-energiaa. Markkinoilla on ominaisuuksiltaan erilaisiin tarkoituksiin valmistettuja nopeita (10000-50000 r/min) ja hitaita (1000-5000 r/min) ratkaisuja. Kuvassa 2.4 on esimerkki erään dynaamisen UPSlaitteen toteutustavan periaatteesta. /1,5,7/ Verkkosyöttö D G Varmennettu sähkönsyöttö Varavoimasyöttö M G M = Moottori G = Generaattori HM = Huimamassa HM Kuva 2.4 Esimerkki erään dynaamisen UPS-laitetyypin periaatteesta. 2.4. Energiavarastot Akkujärjestelmä toimii perinteisesti yhdessä UPS:n kanssa katkeamatonta sähkönsyöttöä tarvitsevien laitteiden varasähkönlähteenä, vaikka

markkinoilla on myös muihin ratkaisuihin perustuvia laitteita. Akuissa energiaa varataan sähkökemiallisiin kennoihin, joissa kemiallinen energia voidaan muuttaa sähköenergiaksi. Akkujen erilaisilla rinnan ja sarjakytkennöillä voidaan vaikuttaa akuston jännitteeseen ja kapasiteettiin. Tyypillisesti varavoimajärjestelmissä käytetään lyijy- tai alkaliakkuja. Akkutyypin valintaan vaikuttavat muun muassa käyttöolosuhteet. Akusto on kallis ja yleensä melko lyhytikäinen osa varavoimajärjestelmää, joten sen kunnonvalvonta on tärkeää, samoin akkujen vaihtaminen silloin kun se voidaan vielä tehdä hallitusti. 2.4.1. Avoimet akustot Lyijyakut voidaan jakaa avoimiin ja suljettuihin (huoltovapaisiin) akkuihin. Avoimet lyijyakut koostuvat yhdestä tai useammasta avokennosta. Elektrodina on lyijy ja lyijyoksidi. Elektrodit ovat elektrolyytissä, mikä on laimeaa rikkihappoa. Yhden kennon jännite on 2V, joten normaalissa 12V:n akussa on kuusi sarjaan kytkettyä kennoa. Avoakut ovat suuria, painavia ja vaativat huoltoa säännöllisesti. Lisäksi ne vaativat oman akkuhuoneen syntyvien paloarkojen kaasujen ja happoroiskeiden vuoksi. Ne ovat kuitenkin toimintavarmoja ja pitkäikäisiä, joten niitä käytetään edelleen melko runsaasti. Alkaliakuilla, jotka kuuluvat myös avoimiin akkuihin, on paljon hyviä ominaisuuksia verrattuna lyijyakkuihin. Alkaliakuista yleisimpiä ovat nikkeli-kadmium akut. Rakenteeltaan alkaliakut ovat kestäviä, niiden tehotiheys on hyvä, käyttöikä pitkä ja niiden lyhytaikaiset kuormitettavuusominaisuudet ovat hyvät. Jos ympäristön lämpötilavaihtelut ovat suuria, kannattaa alkali-akkuja harkita, vaikka ne ovat kuitenkin paljon lyijyakkuja kalliimpia. Alkaliakkuja ei ole saatavissa yhtä suuri kapasiteettisina kuin lyijyakkuja ja lisäksi niitä pidetään ympäristölle vielä lyijyakkujakin vaarallisempina. Kuten avoimet lyijyakustot, myös alkaliakustot vaativat akkuhuoneen. Alkaliakut eivät ole laajasti käytössä varavoimajärjestelmissä. /3,5/ 2.4.2. Suljetut akustot Huoltovapaat eli venttiilisäädetyt lyijyakut ovat halvempia ja pienempiä kuin avoimet. Suljetuissa akuissa elektrolyytti on kiinteässä muodossa tai geelinä. Kenno on suljettu, mutta se on varustettu venttiilillä, jolloin paineen kasvaessa kennossa liian suureksi, venttiili avautuu ja purkaa ylipaineen pois. Suljetussa lyijyakussa kemiallinen reaktio on hieman toisenlainen kuin avoimissa. Reaktioiden seurauksena veden häviäminen kennosta on suljetuilla avoimia huomattavasti pienempää. Toimintahäiriö voi kuitenkin

aiheuttaa suljetun lyijyakun kuivamisen ja sisäisen oikosulun, jolloin koko akun kapasiteetti menetetään. Suljetut akut ovat huoltovapaita ja melko halpoja. Niiden elinikä on kuitenkin avoimia lyijyakkuja pienempi ja lisäksi ne ovat herkempiä kuormituksen suhteen. Myös lämpötila vaikuttaa suuresti niiden elinikään. Suositeltu lämpötila on 20 C ja lämpötilan nousu 10 C aiheuttaa eliniän puoliintumisen. Suljettuja lyijyakkuja käytetään kuitenkin suurimmassa osassa UPS-laitteistoja. Jos akustolle ei ole omaa akkuhuonetta, suljetut akustot ovat tällä hetkellä yleisin vaihtoehto. /3,5/ 2.4.3. Muut sovellukset Kemiallisten akustojen ohella sähköenergiaa voidaan varastoida esimerkiksi vauhtipyörään, sähkömagneettisiin SMES-järjestelmiin (Superconducting Magnetic Energy Storage systems). Näitä käytetään erilaisissa erikoissovelluksissa (esimerkiksi FACTS-laitteistot) Vauhtipyörään varastoidaan energia massan pyörivään liikkeeseen. Vauhtipyöräsovellukset ovat kohtalaisen yleisiä dynaamisten UPS-laitteiden yhteydessä. Vaikka vauhtipyörän käyttöikä on pitkä, ne ovat akustoihin verrattuna kuitenkin kalliita ja niiden tilantarve on suuri. SMES-laitteita käytetään pääasiassa suurilla tehoilla ja pieniaikaisia katkoksia tai jännitekuoppia tasaamassa. SMES-laitteet ovat kalliita sekä hankkia että käyttää jaahdytyslaitteiston vuoksi. Niiden hyötysuhde on kuitenkin hyvä, elinikä on pitkä ja vasteaika nopea. /9/

3. KATTILALAITOKSEN VARAVOIMAJÄRJESTELMÄ 3.1. Varavoimaverkot Kattilalaitoksen (tarkoitetaan tässä yhteydessä sooda-, tai voimakattilaa lämpöteholtaan alle 600 MW) varavoimajärjestelmä koostuu tyypillisesti pienjännitepuolella olevasta pelkästä UPS-varmennetusta tai sekä UPS- että dieselgeneraattorivarmennetuista verkoista. Valinta riippuu laitoksen tyypistä, koosta sekä sijoituspaikasta ja asiakkaan tarpeista. Kuvassa 3.1 on esimerkki varavoimaverkosta, jossa on sekä dieselgeneraattori että UPS. Kuva 3.1 Esimerkki varavoimaverkosta

3.2. Kattilalaitoksen varmistettavat laitteet Kattilalaitoksen varavoimajärjestelmän päätehtävä on mahdollistaa laitoksen turvallinen alasajaminen sähkökatkoksen sattuessa. Kattilalaitoksen toiminnan kannalta kriittiset kuormat, kuten erilaiset pumput ja puhaltimet vaativat niin paljon tehoa, ettei ole taloudellisesti järkevää mitoittaa varavoimajärjestelmää ylläpitämään laitoksen toimintakykyä sähkökatkoksen aikana. Kattilalaitoksella tyypillisiä, turvallisuuden ja taloudellisuuden kannalta kriittisiä laitteita laitoksen turvallisen alasajamisen ja henkilöturvallisuuden takaamiseksi ovat muun muassa moottoriventtiilit, nuohoimet, säätö ja ohjausjärjestelmät, hätä- ja varavalaistus, älykkäät moottorilähdöt ja niin edelleen. /2/ 3.3. Kuormien jakaminen varavoimaverkkoihin Kuormien jakaminen UPS- ja dieselvarmistettuihin verkkoihin tapahtuu siten, että kun varmistusta vaativat laitteet on listattu, sijoitetaan ensin pienen sähkön jakelussa tapahtuvan keskeytyksen sallivat laitteet dieselillä varmistettavaan varavoimajärjestelmään ja kuormat, jotka eivät salli nopeaakaan katkosta, UPS-verkkoon. UPS:illa varmistettavia laitteita ovat yleensä herkimmät laitteet. kattilalaitoksilla tällaisia laitteita ovat muun muassa tärkeimmät ohjauslaitteet. Myös hätäuloskäyntien merkkivalojen, samoin kuin vaarallisten työskentelytilojen varavalaistuksen syöttö voi tulla joko UPSista tai paikallisesta syöttövarmennuksesta, mutta pääosa esimerkiksi varmistettavasta valaistuksesta voidaan kuitenkin sijoittaa dieselin perään. Tietenkin, jos varavoimajärjestelmä toteutetaan ilman dieselgeneraattoria, UPS:n kokoa täytyy suurentaa ja kaikkien varmistusta vaativien kuormien syötöt varmistetaan UPS:illa. /2/ 3.4. Mitoitus 3.4.1. Yleistä Jos tarvittava varavoimateho ja energia ovat pieniä, diesel-varmistettua verkkoa ei välttämättä käytetä lainkaan vaan tällöin tulee edullisemmaksi käyttää suurempaa UPS-laitteistoa. Tyypillisesti kattilalaitoksen varavoimajärjestelmän mitoituksen periaatteena on laitoksen turvallisen alasajon varmistaminen, jolloin varavoimajärjestelmä voidaan mitoittaa esimerkiksi siten, että järjestelmää pystytään käyttämään 15min mitoitetulla nimellisteholla. Toisin sanoen sähkökatkos aiheuttaa laitoksen pysähtymisen turvallisesti.

Erilaiset kuormat rasittavat varavoimaverkkoja eritavalla. Suorat oikosulkumoottorikäytöt ottavat suuren käynnistysvirran suhteessa nimellisvirtaan pienellä tehokertoimella, mikä aiheuttaa ongelmia varsinkin UPS-syötetyssä verkossa. UPS:n kyky syöttää virtaa on rajallinen ja niinpä suuren moottorikuorman ollessa kyseessä UPS on reilusti ylimitoitettava. Kyseinen ongelma vaivaa myös dieselvarmennettua verkkoa, vaikka dieselin virransyöttökyky on huomattavasti UPSia parempi. Ongelma voidaan korjata ohjaamalla moottoreita taajuudenmuuttajilla tai käyttämällä pehmokäynnistimiä. Syötettävän kuorman epälineaarisuus tulee ottaa myös huomioon mitoitettaessa varavoimajärjestelmää. Erilaiset tehoelektroniset laitteet aiheuttavat verkkoon yliaaltoja, jotka aiheuttavat verkon jännitteiden ja virtojen säröytymää. Esimerkkejä yliaaltoja tuottavista kuormista ovat muun muassa purkausvalaisimet ja taajuusmuuttajakäytöt. Vaikka kattilalaitoksen varavoimajärjestelmään kytkettyjen laitteiden yhteisteho on suuri, ei järjestelmää kannata mitoittaa kuormien nimellistehojen summalle, vaan täytyy miettiä myös kuormien tyyppiä ja käyttäytymistä. Esimerkiksi moottoriventtiilit ja nuohoimet ovat suuri osa varmistettavan verkon kuormaa jos tarkastellaan nimellistehojen summaa. Mutta kun tiedetään, että vain pari noin 40:stä nuohoimesta toimii kerralla, niin tehontarve pienenee ratkaisevasti. /2,3,5/ 3.4.2. Dieselgeneraattori Dieselgeneraattorin mitoittaminen lähtee liikkeelle varmistettavan kuorman tehontarpeiden sekä kuorman tyypin määrittämisestä. Varavoimakonetta ei voida mitoittaa pelkkiä nimellisiä kuormitustehoja hyväksi käyttäen. Dieselgeneraattorin suoritusarvoista tärkeimpiä ovat: kuormanottokyky ja käynnistymisaika tehonantokyky sähkön laatu käyttövarmuus Varavoimalaitoksen kuormanottokyky tarkoittaa sitä, että miten nopeasti ja kuinka suuria kuormia varavoimalaitokselle voidaan kytkeä laitoksen käynnistyessä. Yleensä laitoksen käynnistymistä hidastetaan turhien käynnistymisten estämiseksi noin 2 sekuntia. Tämän jälkeen laitoksen käynnistyminen vie tavallisesti 4-10 sekuntia, jonka jälkeen laitos on valmiina ottamaan kuormaa. Riippuen koneiston tyypistä, laitos voi ottaa heti 60-100% nimelliskuormasta. Loput laitos pystyy yleensä ottamaan muutaman kymmenen sekunnin kuluessa.

Laitoksen tehonantokyky mitoitetaan siten, että se riittää kattamaan dieselvarmistetun verkon huippukuorman suunnitellun käyttöjakson ajalle. Lisäksi mitoituksessa tulee huomioida laitoksen omakäyttöteho ja tulevaisuuden mahdollinen lisääntynyt varavoimatehon tarve. Varavoimalaitoksen mitoittamisessa tulee ottaa huomioon myös kuormituksen ominaisuudet ja niiden vaikutus varavoimaverkon sähkön laatuun. Kuten edellä mainittiin, sähkönlaadun ja sitä kautta myös verkon mitoituksen kannalta vaikeita kuormituksia ovat suorakäyttöiset oikosulkumoottorit, joita kattilalaitoksen varavoimaverkossa on runsaasti, epälineaariset kuormitukset, kuten purkausvalaisimet ja taajuusmuuttajakäytöt, sekä esimerkiksi jaksoittaiset käytöt. Dieselgeneraattorin tulee pystyä käynnistämään moottorit ilman liian suuria taajuuden ja jännitteen alenemia. Jännitteen ja taajuuden muutoksille on olemassa raja-arvot. Liialliset muutokset esimerkiksi jännitteessä lisäkuorman kytkeytymisen seurauksena voivat aiheuttaa joko suojauksen tai muiden varmennettujen laitteiden virhetoiminnan. Lisäksi jännitteen särön tulee pysyä sallituissa rajoissa. Tähän pääsemiseksi voidaan käyttää yliaaltosuodattimia. Varavoimajärjestelmän käyttövarmuutta tulee tarkastella kokonaisuutena, mutta varsinaisen dieselgeneraattorin toimintavarmuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa laitoksen rakenne, apujärjestelmien luotettavuus, asennuksen huolellisuus ja esimerkiksi huollon ja varaosatoimitusten toimivuus. Varavoimalaitoksen luotettavuudelle pitää asettaa huomattavasti tavoiteltua varavoimajärjestelmän luotettavuutta korkeammat vaatimukset, johtuen järjestelmän muiden osien epäluotettavuudesta. /6/ 3.4.3. UPS UPS-laitteen mitoituksessa tärkein ominaisuus on virransyöttökyky. Kuormituksen näennäisteho ja kokonais cos φ arvo on UPS:n mitoituksessa pohjana mutta lisäksi pitää tietää varsinkin suurten laitteiden käynnistysvirtapiikkien suuruudet ja kuormituksen epälineaarisuus. Epälineaarisen virran syöttökyky ilmoitetaan UPS:lle niin sanotulla crest factor arvolla. Varsinkin perinteisillä, staattisilla, UPS-laitteilla virransyöttökyky on heikko. Suojalaitteiden oikean ja riittävän nopean toiminnan turvaamiseksi on suositeltavaa mitoittaa UPS-laite niin, että sitä kuormitetaan vain noin 60% nimellisvirrasta. Loppu kapasiteetti varataan suojalaitteiden toimintaan. Yleensä UPS:n mitoitus tehdään UPS-suojatun keskuksen suurimman sulakkeen mukaan.

UPS-laitteiden toiminta-aika riippuu akuston koosta (paitsi jos sitä syötetään dieselillä). UPS on tyypillisesti mitoitettu kattilalaitoksilla 15 minuutin nimellistehoista käyttöä ajatellen. Tämä arvo on todettu käytännössä riittäväksi laitoksen alasajon ja henkilöturvallisuuden varmistamiseksi. Koska UPS-järjestelmän toiminta on vikatilanteissa tärkeää, on selvää, että järjestelmän on toimittava luotettavasti. Yksi keino luotettavuuden parantamiseksi on rakentaa järjestelmä redundanttiseksi n+1 järjestelmäksi, jossa n kappaletta UPS-laitteita pystyy syöttämään kuormien vaatiman tehon. Käyttövarmuuden vuoksi pitää varmistua myös hyvistä huolto- ja varaosapalveluista. UPS:n valinnassa tulee huomioida myös UPS-laitteen ja akuston ulkoiset mitat ja asennusolosuhteet. Varsinkin akuston elinikä on suuresti riippuvainen asennustilan lämpötilasta. Hankittavalla UPSjärjestelmällä on pitkä käyttöikä ja täten tulee kiinnittää huomiota kokonaiskustannuksiin, esimerkiksi hyötysuhteeseen. /1,3,5/ 3.4.4. Muut laitteet Muiden varavoimajärjestelmän laitteiden, kuten kojeistojen ja kaapeleiden, mitoittaminen tehdään samoilla perusteilla kuin normaalin sähköverkon mitoittaminen. Tässä ei tarkemmin tarkastella näiden komponenttien mitoittamista, mutta todetaan, että mitoittamiseen vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa kuormitusvirta, olosuhteet ja oikosulkuvirrat. 3.5. Suojaus 3.5.1. Yleistä Varavoimaverkon suojauksen suunnittelussa päähuomio on kiinnitettävä varavoimasyötön mahdollisimman häiriöttömään toimintaan turvallisuuden edellyttämät vaatimukset täyttäen. Suojauksen suunnittelussa on otettava huomioon varavoimalaitteiden, UPS-laitteiston sekä dieselgeneraattorin virranantokyvyn rajoitukset. Normaalisyötön aikana oikosulun sattuessa virrat kasvavat kattilalaitoksilla, kuten teollisuusverkoissa yleensäkin todella suuriksi, jopa useiden kymmenien kiloampeereiden suuruisiksi. Tällöin suojauksen nopea toiminta on todella tärkeää laitteiden suojaamiseksi, mutta toisaalta suojauksen nopea toiminta on myös helppo toteuttaa oikosulkuvirtojen ja kuormitusvirtojen suuruuden suuren eron vuoksi. Varavoimalaitteiden, dieselgeneraattorin tai UPS:n syöttäessä järjestelmää tilanne on toinen. /2,4,5/

3.5.2. Ylikuormitussuojaus Ylikuormitussuojauksen lähtökohtana on suojattavan kohteen suurin kuormitusvirta. Ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa joko johdonsuojakatkaisijoilla, sulakkeilla tai katkaisijoilla. Johdonsuojakatkaisijoilla toteutettuna voidaan johdon suojalaitteen asetusarvoksi laittaa johdonkuormitettavuuden arvo. Eli verkkoa ei tarvitse suojalaitteiden vuoksi ylimitoittaa. Johdonsuojakatkaisijoita on jaoteltu laukaisukäyrien mukaan eri tyyppeihin, kuten B, C, D, K, Z ja A. Nämä eri tyypit käyvät erilaisten kuormitusten suojaamiseen. Toteutettaessa suojaus sulakkeilla, johdon kuormitettavuuden pitää olla vähintään 1,45 x sulakkeen nimellisarvo. Toisin sanoen kaapelit täytyy ylimitoittaa. Sulakkeita on useaa eri tyyppiä. Eri tyypin sulakkeilla on erilaisia ominaisuuksia sulamisaikoihin ja virtoihin liittyen. Esimerkiksi teollisuuslaitoksissa paljon käytössä olevista sulakkeista g-tyypin sulake toimii sekä ylikuormitus että oikosulkusuojana ja M-tyypin sulake on taas moottoripiirin suojaukseen tarkoitettu suojalaite. Nollajohdon virta pitäisi normaalissa käytössä olla lähes nolla, mutta vaihejohtimien epätasapainosta johtuen nollajohtimessa saattaa kulkea virtaa. Samoin virtoja saattaa aiheuttaa verkossa olevat yliaallot. Jos harmonisten yliaaltojen osuus on yli 10%, ei nollajohdinta saa mitoittaa vaihejohdinta ohuemmaksi. TN- ja TT-järjestelmissä nollajohdinta ei tarvitse suojata ylikuormitukselta jos sen poikkipinta-ala on yhtä suuri kuin vaihejohtimien. Jos nollajohtimen poikkipinta-ala on vaihejohtimia pienempi, täytyy siihen asettaa ylikuormitussuoja, elleivät molemmat seuraavista ehdoista täyty. Nollajohdin on suojattu oikosululta vaihejohtimien suojalaitteen avulla ja suurin todennäköinen virta, joka nollajohtimessa kulkee, on selvästi pienempi kuin nollajohtimen kuormitettavuus. IT-järjestelmässä ei yleensä nollajohdinta. Jos sellainen kuitenkin on se täytyy suojata standardisarjan SFS 6000 mukaisesti. /4,5/ 3.5.3. Oikosulkusuojaus Jokainen virtapiiri on suojattava oikosulkuvirroilta siten, että se ei ehdi aiheuttaa vaaraa johtimien ja liitosten lämpenemisen tai mekaanisien vaikutusten vuoksi. Oikosulkusuojaus varavoimaverkoissa toteutetaan katkaisijoilla, sulakkeilla tai johdonsuojakatkaisijoilla. Perinteisesti suojaus on perustunut sulakkeisiin, mutta viime vuosina niin sanotut sulakkeettomat suojausratkaisut ovat yleistyneet parempien suojausominaisuuksien vuoksi. Varavoimaverkkojen oikosulkusuojauksen asettelut poikkeavat normaaliverkkojen vastaavista, koska varavoimaverkoissa

oikosulkuvirrat ovat monesti huomattavasti pienempiä kuin normaalisyötöissä. Tosin normaaliolosuhteissa varavoimaverkon syöttö ei eroa mitenkään muista verkon syötöistä. Tällöin myös oikosulkuvirrat ovat yhtä suuria kuin muualla verkossa. Sähkökatkoksen aikana varavoimaverkon syöttö siirtyy joko dieselgeneraattorille tai UPS-laitteistolle. Oikosulun sattuessa aikana, jolloin syöttö tulee varavoimalaitoksesta, oikosulkuvirrat ovat huomattavasti normaalisyötön aikaisia vastaavia pienempiä. Myös tällöin suojauksen pitää toimia. Oikosulun sattuessa UPS-verkossa normaalisyötön toimiessa on-line ja line-interactive topologioilla toteutetut UPSit siirtävät sähkönsyötön staattisella ohituskytkimellä suoraan verkkosähkölle, jolloin UPS-laite ohitetaan. Tällöin oikosulkuvirta määräytyy syöttävän verkon ominaisuuksien perusteella. Staattisen ohituskytkimen toiminta tapahtuu nopeasti, yleensä alle yhdessä millisekunnissa. Off-line UPS:n tapauksessa normaalisyötön aikana syöttö tulee suodatettuna verkon puolelta, joten siellä tilanne on sama, edes kytkintä ei tarvita. Jos oikosulku sattuu UPS-verkossa syötön ollessa akustolta, UPS-laitteen virransyöttöominaisuuksilla on suuri vaikutus. UPS-laitteen vaihtosuuntaaja pystyy yleensä syöttämään noin 1,5-3 kertaa nimellisvirran suuruista virtaa. Vaihtosuuntaajan syöttämää virtaa rajoitetaan tyypillisesti pienentämällä lähtöjännitettä. Jos vika ei poistu riittävän nopeasti UPS tyypillisesti sammuttaa itsensä noin 100-300 millisekunnissa. Tämä aiheuttaa vaikeuksia selektiivisen suojauksen suunnitteluun, koska suojalaitteiden pitäisi havaita ja katkaista UPSin syöttämä pieni oikosulkuvirta todella nopeasti. UPS-verkossa yleensä kaikki kuormat ovat kriittisiä ja ei ole hyvä jos niiden sähkönsyöttö katkeaa. Generaattorisyötön aikana verkon suojauksen toimintaa vaikeuttaa varavoimalaitoksen huono kyky syöttää oikosulkuvirtaa. Riippuen generaattorityypistä oikosulkuvirta voi olla heti alussa suuri mutta vaimenee nopeasti. Jatkuvaa oikosulkuvirtaa varavoimageneraattori pystyy syöttämään yleensä noin 3 kertaa nimellisvirran verran mutta sitäkin vain rajoitetun ajan. Suojausta suunnitellessa on tärkeää varmistua siitä, että suojaus toimii riittävän nopeasti myös generaattorin oikosulkuvirralla. Joskus joudutaan suojaus tekemään määräysten mukaiseksi selektiivisyyden kustannuksella. Jos vian automaattista poiskytkentää ei voida tavallisilla ylivirtasuojilla toteuttaa, pitää käyttää joko vikavirtasuojakytkimiä tai alijännitesuojan maasulkusuojan ja vakioaikaylivirtasuojan ohjaamaa katkaisijaa. /4,5/

3.5.4. Kosketusjännitesuojaus Kosketusjännitesuojaus tarkoittaa suojausta, jolla estetään ihmisten tai kotieläinten koskettamasta vian myötä jännitteiseksi tulleeseen johtavaan osaan niin, että se aiheuttaa vaaraa. Kosketusjännitesuojauksen voi toteuttaa joko automaattisella vian poiskytkennällä tai rajoittamalla kosketusjännite niin pieneksi ettei vaaraa aiheudu. Kun johdossa on suojajohdin, toteutetaan kosketusjännitesuojaus syötön automaattisella poiskytkennällä TT- ja TNjärjestelmissä, sekä IT-järjestelmien toisessa viassa. Ensimmäinen vika ITjärjestelmissä yleensä aiheuttaa hälytyksen mutta toiminta jatkuu normaalisti. Kun johdossa ei ole suojajohdinta, automaattista poiskytkentää ei voida käyttää vaan vaihtoehdot suojauksen toteuttamiseen ovat seuraavat: suojaeristys käyttöpaikan eristys maasta erotettu paikallinen potentiaalin tasaus suojaerotus Standardisarjan SFS 6000 mukaan TN-järjestelmässä suurimmat vian poiskytkentäajat ovat 230 V:lla 0,4 s 400 V:lla 0,2 s > 400 V:lla 0,1 s Enintään 5 sekunnin poiskytkentäaika sallitaan pääjohdoille ja ryhmäjohdoille, jotka syöttävät vain kiinteästi asennettuja laitteita. Edellä mainittujen aikojen tulee toteutua niin normaalin syötön aikana kuin myös varavoimasyötöllä. Jos oikosulkuvirtojen pienuudesta johtuen tähän ei normaalilla automaattisella poiskytkennällä päästä, joudutaan käyttämään vikavirtasuojakytkimiä tai alijännitelaukaisua. /4,5/ 3.5.5. Suojauksen selektiivisyys Varavoimaverkossa suojauksen selektiivinen toiminta on tärkeää, koska syötettävät kuormat ovat kriittisiä taloudelliselta tai henkilöturvallisuuden kannalta ja ylimääräisiä laitteiden toimintakatkoja on vältettävä. Varavoimaverkon pienet oikosulkuvirrat aiheuttavat kuitenkin ongelmia selektiivisen suojauksen toteuttamiseen. Selektiivisyys voidaan toteuttaa seuraavilla menetelmillä Ylivirtasuojien virta-asetteluilla

Peräkkäisten portaiden aika-asetteluilla Virtaporrastuksella jakelumuuntajien tai kuristimien suojauksessa Sulakekokojen porrastuksella Normaaleissa teollisuusverkoissa voidaan suurien oikosulkuvirtojen vuoksi käyttää useaa suojausporrasta selektiivisyyden silti toteutuessa. Varavoimaverkkojen suojauksessa ei suositella käytettäväksi useita suojausportaita. Etenkin pitkillä johtolähdöillä maksimikuormitusvirran ja pienimmän mahdollisen oikosulkuvirran väli voi olla todella pieni ja suojalaitteiden asettelu on tarkkaa. Suojauksen selektiivisyyttä voidaan tarkastella sijoittamalla käytettävien suojalaitteiden laukaisukäyrät samalle virta-aikaominaiskäyrästölle. Käyrästöstä voidaan todeta suojalaitteiden toimintajärjestys. Suojaus pyritään toteuttamaan niin, että se on selektiivinen kaikissa käyttötilanteissa. Aina tämä ei kuitenkaan ole mahdollista määräysten mukaisessa ajassa. /1,4,5/

LÄHTEET /1/ ABB. Teknisiä tietoja ja taulukoita. Yhdeksäs painos. Vaasa, 2000. 626 s. ISBN 951-99366-0-2. /2/ Hopeaharju, Arto. Sähköistyksen tuotepäällikkö, Keskustelut 2007-2008, Metso Power Oy. /3/ Jantunen, Matti. Sellutehtaan varavoimajärjestelmän mitoitus ja teknistaloudellinen vertailu 400 ja 690 voltin jännitteillä, Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 2004. 116s. /4/ Mörsky, Jorma. Relesuojaustekniikka. Hämeenlinna: Karisto Oy, 1993. 459s. ISBN 951-672-175-3. /5/ Sähkötieto ry. ST -käsikirja nro 20: Varmennetut sähkönjakelujärjestelmät. Espoo: Sähköinfo Oy. 2005. 231 s. ISBN 952-5600-16-5. /6/ Sähkötieto ry. ST -käsikirja nro 31: Varavoimalaitokset. Espoo: Sähköinfo Oy. 2000. 118 s. ISBN 952-9756-68-2. Verkkolähteet: /7/ Powerware UPS-käsikirja, saatavissa verkossa: lit.powerware.com/ll_download.asp?file=ups_kasikirja705.p df, [viitattu 03.02.2008] /8/ SisuDiesel tiedostot, saatavana verkossa: http://www.sisudiesel.com/suomeksi/ [viitattu 05.02.2008] /9/ VTT. Sähkön laadun ja jakelun luotettavuuden hallinta, saatavissa verkossa: http://www.vtt.fi/inf/pdf/workingpapers/2006/w52.pdf [viitattu 05.02.2008]